黃煥東 岑志波 沈正祥 彭 旭 王 杜 李 斌 陳 虎

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院）

苯是石油化工產(chǎn)業(yè)的基本原料，易燃、易爆且具有毒性。在生產(chǎn)、儲存及運(yùn)輸?shù)冗^程中，苯儲罐及其管道不可避免地會發(fā)生意外破損或斷裂事件。尤其在臨?；蚺R港環(huán)境下，受海洋氣候的影響，儲罐常伴有嚴(yán)重的腐蝕減薄、點(diǎn)蝕穿孔和開裂現(xiàn)象［1］。苯儲罐發(fā)生泄漏，如未及時(shí)采取應(yīng)急措施，極有可能引發(fā)大規(guī)模的火災(zāi)、爆炸和中毒事故，安全風(fēng)險(xiǎn)極大［2，3］。因此，針對儲罐泄漏事故后果的研究顯得十分重要。張瀚勻等利用重大危險(xiǎn)源定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)軟件CASST-QRA，計(jì)算了丁二烯儲罐泄漏事故的影響范圍［4］。潘東通過重大危險(xiǎn)源安全評價(jià)方法，建立了液氨儲罐泄漏事故后果模型，并提出技術(shù)改造建議［5］。在苯儲罐泄漏事故研究方面，楊繼星等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了苯儲罐泄漏事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型［6］；劉堃以河南某工廠苯儲罐區(qū)為例，對低風(fēng)速下儲罐泄漏事故過程進(jìn)行數(shù)值模擬［7］；王曉艷等利用SLAB模型預(yù)測了苯儲罐泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的危害范圍，并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施［8］；許潔提出基于CFD模擬的苯罐區(qū)安全評估和應(yīng)急預(yù)防措施［9］。綜上所述，盡管學(xué)者對?；穬扌孤┘捌浜蠊验_展大量研究，但關(guān)于臨港極端天氣尤其是強(qiáng)風(fēng)條件下，苯儲罐泄漏及其擴(kuò)散過程的報(bào)道并不多見。

為此，筆者基于流體動力學(xué)Fluent軟件，開展典型臨港環(huán)境（弱、強(qiáng)風(fēng)條件）下苯儲罐泄漏擴(kuò)散過程的數(shù)值仿真，并分析其爆炸和毒性危害范圍，為苯罐區(qū)泄漏事故應(yīng)急處理提供技術(shù)參考。

1 苯儲罐泄漏氣體擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

苯儲罐泄漏常會形成比空氣重的氣云，其擴(kuò)散過程可由重氣擴(kuò)散模型表述，其控制方程［10］如下：

式中 cp——定壓比熱容；

cs——組分s的濃度；

gi——重力加速度；

i、j——不同物質(zhì)；

K——傳熱系數(shù)；

p——微元體上的壓力；

ST——粘性耗散項(xiàng)；

t——時(shí)間；

T——溫度；

u，v，w——x，y，z方向的速度矢量分量；

μ——空氣的動力黏度；

ρ——苯的密度；

ρa(bǔ)——空氣的密度。

1.2 湍流模型

采用經(jīng)典的RNG k-ε湍流模型，既可以準(zhǔn)確描述流體的高速流動，又考慮了渦流對湍流的影響。在湍動能k方程的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)耗散率ε方程，其中ε方程做了適當(dāng)修正，用于提高模擬計(jì)算的精度。

主要形式如下［11］：

式中 Gb——浮力產(chǎn)生的湍流動能；

Gk——平均速度梯度引起的湍流動能；

S——用戶定義的源項(xiàng)；

Ym——可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻(xiàn)；

σ——流體普朗特?cái)?shù)。

其中，湍流黏度C1ε取1.44，C2ε取1.92，C3ε取0.92。

2 數(shù)值模型

2.1 工程案例

以浙江某港區(qū)苯儲罐泄漏事件為工程背景，圖1為事發(fā)罐區(qū)的平面示意圖，苯儲罐區(qū)四周筑有防火堤，高度1.5 m，兩邊配備泡沫池、消防池、泵房及配電房等設(shè)施。儲罐結(jié)構(gòu)為內(nèi)浮頂式，直徑15.6 m，高度16.2 m，容積3 000 m3。事故儲罐位于罐區(qū)的東南角，結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，破壞區(qū)域距地面約1 m，經(jīng)測算可等效為200 mm泄漏孔徑。

圖1 苯儲罐區(qū)示意圖

2.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分和邊界條件

圖2所示的整個(gè)計(jì)算域尺寸為700 m×200 m×30 m，采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先生成四面體網(wǎng)格，后導(dǎo)入Fluent軟件轉(zhuǎn)為多面體網(wǎng)格。由于泄漏孔相對于計(jì)算域來說較小，故對泄漏區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，并與周圍光滑過渡銜接。最終生成的網(wǎng)格總數(shù)為134萬，進(jìn)行網(wǎng)格光順優(yōu)化后檢查網(wǎng)格質(zhì)量良好，扭曲度在0.8以下，滿足計(jì)算需求。

圖2 幾何模型與局部網(wǎng)格劃分

苯儲罐泄漏擴(kuò)散事故通常可分為源泄放、重氣擴(kuò)散和大氣擴(kuò)散3個(gè)階段，環(huán)境風(fēng)速對儲罐附近的流場分布和危險(xiǎn)氣體濃度有著重要影響。對港口區(qū)域的氣象資料進(jìn)行采集分析，發(fā)現(xiàn)正常的平均風(fēng)速范圍為2.9～4.5 m/s。每年7～9月份易受臺風(fēng)的影響，其中強(qiáng)臺風(fēng)占82%，最長持續(xù)時(shí)間為2～3 d，強(qiáng)風(fēng)向的最大風(fēng)速可以達(dá)到29.0～36.0 m/s［12］?；谝陨戏治?，筆者選取兩種典型的速度（弱風(fēng)3.3 m/s，強(qiáng)風(fēng)30.0 m/s）作為初始邊界條件，風(fēng)向不變。苯儲罐泄漏方式為大孔洞泄漏且垂直裂口向外，泄漏孔徑設(shè)定為200 mm，持續(xù)泄漏且源強(qiáng)經(jīng)估算約為100 kg/s。采用SIMPLEC算法求解控制方程的壓力-速度耦合項(xiàng)，流場采用速度進(jìn)口和壓力出口條件，質(zhì)量流量輸入值設(shè)定為100 kg/s。環(huán)境條件通過UDF文件導(dǎo)入，且沿x軸方向水平輸入，環(huán)境溫度設(shè)定為27℃。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 弱風(fēng)條件下泄漏擴(kuò)散過程的數(shù)值仿真

圖3為弱風(fēng)條件下苯儲罐泄漏擴(kuò)散后果的數(shù)值仿真結(jié)果，由不同時(shí)刻苯濃度空間分布可知，當(dāng)泄漏發(fā)生5 s后，苯在罐區(qū)內(nèi)大面積流淌并揮發(fā)形成苯氣云團(tuán)，擴(kuò)散至防火堤，在風(fēng)速作用下，部分苯氣云團(tuán)輕微抬升并越過堤墻；泄漏發(fā)生15 s后，苯氣云團(tuán)已覆蓋下風(fēng)向的泵房和配電房，開始影響周圍環(huán)境；泄漏發(fā)生50～100 s后，苯氣云團(tuán)影響范圍繼續(xù)擴(kuò)大，并開始受大氣湍流影響。整體而言，苯氣云團(tuán)沿障礙物周圍向下風(fēng)向擴(kuò)散，經(jīng)過一段距離后，逐漸向地面沉降，呈現(xiàn)典型的重氣云湍流擴(kuò)散特征。

圖3 弱風(fēng)條件下苯儲罐泄漏后果的數(shù)值仿真結(jié)果

由圖4a所示苯氣云團(tuán)濃度平面分布云圖可知，由于防火堤的作用，近場泄漏的苯大多聚集在鄰近儲罐和防火堤底部區(qū)域。隨著泄漏時(shí)間延長，苯氣云團(tuán)開始越過防火堤并向下風(fēng)向擴(kuò)散，100 s后泄漏基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。泄漏產(chǎn)生的苯氣云團(tuán)中心濃度高于四周，近似三角形態(tài)分布。圖4b為泄漏孔下風(fēng)向苯氣云團(tuán)濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的變化特征，可看出苯含量在罐區(qū)內(nèi)較高，而在防火堤外則逐漸降低。由于存在障礙物，部分低高度的曲線出現(xiàn)間斷。在泄漏孔下風(fēng)向200 m距離內(nèi)，由于障礙效應(yīng)存在流動死區(qū)，近地面苯氣云團(tuán)濃度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢；200 m范圍外隨著離地高度的增加，苯氣云團(tuán)被不斷分散稀釋，近地面沉降效應(yīng)明顯。

圖4 弱風(fēng)條件下典型時(shí)刻（t=100 s）苯濃度的分布特征

3.2 強(qiáng)風(fēng)條件下泄漏擴(kuò)散過程的數(shù)值仿真

圖5為強(qiáng)風(fēng)條件下苯儲罐泄漏擴(kuò)散后果的數(shù)值仿真結(jié)果。由圖5可以看出，在強(qiáng)風(fēng)的作用下，苯氣云團(tuán)向下風(fēng)向擴(kuò)散，空氣的輸送作用加強(qiáng)，苯氣云團(tuán)從相鄰儲罐兩側(cè)迅速通過，重力影響變小，呈狹長帶狀分布。另外，除在苯儲罐罐體與防火堤周圍的苯濃度較高外，泄漏的苯氣云團(tuán)被快速地稀釋和消散。

圖5 強(qiáng)風(fēng)條件下苯儲罐泄漏后果的數(shù)值仿真結(jié)果

圖6a為強(qiáng)風(fēng)條件下儲罐泄漏50 s后苯濃度的等值線，可看出高濃度區(qū)域仍然出現(xiàn)在近場，防火堤以外濃度則逐漸下降。由于風(fēng)速較高，空氣的湍流效應(yīng)加強(qiáng)，揮發(fā)的苯氣云團(tuán)與大氣劇烈混合并迅速擴(kuò)散，稀釋速度加劇。圖6b為泄漏孔下風(fēng)向苯氣云團(tuán)濃度的變化曲線，障礙物的存在同樣導(dǎo)致部分曲線出現(xiàn)間斷，可看出風(fēng)速較大時(shí)，近地面濃度總體變低。與弱風(fēng)速條件相比，泄漏后50 s左右濃度曲線即基本穩(wěn)定。擴(kuò)散穩(wěn)定后，相同距離處的苯氣云團(tuán)濃度明顯更低。

圖6 強(qiáng)風(fēng)條件下典型時(shí)刻（t=50 s）苯濃度的分布特征

3.3 毒性危害分析

毒性危害后果主要由濃度和接觸時(shí)間共同決定，當(dāng)前國外主要通過緊急事故中毒性物質(zhì)危害評估和暴露評估來完成風(fēng)險(xiǎn)表征，故閾值參數(shù)可作為評估人類健康危害的重要依據(jù)［13］。由于環(huán)境對苯氣云團(tuán)稀釋較快，因此選擇“特異性靶器官毒性一次性接觸：吸入麻醉作用的閾值13 000 mg/m3”當(dāng)作工業(yè)緊急事故中人吸入高濃度苯引起急性中毒的臨界值［14］。

根據(jù)圖7可知，弱風(fēng)條件下苯氣云團(tuán)泄漏100～600 s時(shí)，苯儲罐下風(fēng)向逐漸形成較大范圍的毒性危害區(qū)（黑色區(qū)域），而在強(qiáng)風(fēng)作用下，苯毒性傷害區(qū)則變?yōu)楠M長帶形狀，空氣擾流明顯減緩苯氣云團(tuán)的聚集，毒害范圍減?。▓D8）。由此可知：毒害范圍與泄漏速率、風(fēng)速等因素密切相關(guān)，泄漏速率越大，其毒害范圍越大；當(dāng)泄漏速率一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，稀釋作用明顯，毒性危害程度降低。

圖7 不同風(fēng)速下毒性危害等值面變化

圖8 風(fēng)速對毒性危害范圍的影響

3.4 爆炸危害分析

圖9為不同風(fēng)速下苯氣云團(tuán)爆炸濃度下限（質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.16%）等值面變化過程，三維等值面與地表相連接。由圖9a～c可以看出，在弱風(fēng)作用下，距事故儲罐越遠(yuǎn)，苯氣云團(tuán)擴(kuò)散的水平面積越大，豎直方向上則面積變小。爆炸濃度下限等值面在泄漏后100 s左右開始逐漸穩(wěn)定，此時(shí)到泄漏口的最大距離約240 m。相對而言，強(qiáng)風(fēng)作用下（圖9d～f）苯氣云團(tuán)擴(kuò)散較快，爆炸濃度下限等值面僅局限在泄漏孔外50 m范圍內(nèi)，且因障礙物的影響分布不均勻?？傮w來看，在泄漏面積相同的情況下，弱風(fēng)有利于泄漏的苯氣云團(tuán)擴(kuò)散，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域較大。強(qiáng)風(fēng)對苯氣云團(tuán)的稀釋和輸送作用均會增強(qiáng)，達(dá)到擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間縮短，相應(yīng)的爆炸危險(xiǎn)區(qū)范圍也較小。

圖9 不同風(fēng)速下爆炸濃度下限等值面變化

爆炸極限濃度范圍內(nèi)苯氣云團(tuán)若遇到點(diǎn)火源，極易發(fā)生化學(xué)爆炸，并以爆炸火球或沖擊波形式對周圍環(huán)境形成破壞［15］。根據(jù)經(jīng)典的蒸氣云 爆 炸（BLEVE）火 球 熱 輻 射 模 型［16，17］，假 設(shè) 苯氣云團(tuán)中心點(diǎn)火，不同風(fēng)速下爆炸火球熱輻射危害范圍取決于苯氣云團(tuán)中實(shí)際被引爆的燃料質(zhì)量。

如圖10所示，弱風(fēng)條件下爆炸火球的最大半徑約20.71 m，熱輻射致死范圍可達(dá)28.14 m。隨著風(fēng)速變大，大氣稀釋擴(kuò)散加劇，云團(tuán)尺寸變小，導(dǎo)致爆炸火球半徑減小，相應(yīng)的熱輻射致死范圍縮小至8.76 m左右，危害區(qū)域縮小。爆炸沖擊波可基于TNT當(dāng)量法進(jìn)行估算［18，19］，其危害后果可參照沖擊波超壓破壞準(zhǔn)則來確定。圖11為泄漏后苯氣云團(tuán)爆炸沖擊波的危害范圍，可以看到，弱風(fēng)條件下爆炸沖擊波的致死半徑為21.99 m，財(cái)產(chǎn)損失區(qū)可達(dá)70.88 m；當(dāng)風(fēng)速增加至30.0 m/s（強(qiáng)風(fēng)條件）時(shí)，苯氣云團(tuán)被進(jìn)一步稀釋，參與爆炸反應(yīng)的燃料質(zhì)量變少，沖擊波致死半徑降至9.31 m，財(cái)產(chǎn)損失范圍變?yōu)?9.95 m。由此可見，氣象條件對苯氣云團(tuán)爆炸危害程度有著顯著的影響，風(fēng)速越低，危險(xiǎn)性越大，相應(yīng)的儲罐泄漏事故應(yīng)急處置和疏散任務(wù)也越重。

圖10 不同風(fēng)速下熱輻射危害范圍

圖11 不同風(fēng)速下爆炸沖擊波危害范圍

4 結(jié)論

4.1 以某臨海港口苯儲罐區(qū)為研究對象，利用Fluent軟件建立儲罐區(qū)三維模型，對強(qiáng)/弱風(fēng)條件下苯儲罐泄漏擴(kuò)散的動態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值仿真。風(fēng)速較低時(shí)，苯氣云團(tuán)越過防火堤向下風(fēng)向擴(kuò)散，并逐漸向地面沉降，毒性危害區(qū)域較大；強(qiáng)風(fēng)作用下，苯氣云團(tuán)被快速稀釋和消散，毒性危害區(qū)域縮小。

4.2 基于三維仿真結(jié)果，提取苯氣云團(tuán)爆炸極限濃度內(nèi)可燃物質(zhì)量，對爆炸火球熱輻射和沖擊波影響范圍進(jìn)行估算。風(fēng)力對苯氣云團(tuán)爆炸危害后果作用明顯，強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致爆炸火球尺寸和熱輻射致死范圍變小，相應(yīng)的爆炸沖擊波危害范圍也變小，危險(xiǎn)性降低。